Groove Tubes Speaker-Simulator nachgenutzt

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• Vorgeschichte •
• Zeitsprung – Das Klangfilter •
• Neues Netzteil und neues Gehäuse

Vorgeschichte und Technik

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• Die Schaltung •
• Ein autarker Speaker-Simulator •
• Sicherheitshinweis

In den neunziger Jahren erwarb der Autor einen gebrauchten Studio-Gitarren­verstärker der Firma Groove Tubes, die seinerzeit einen gewissen Nimbus als Hersteller von Edelverstärkern hatte. 

Der Röhrenverstärker STPG-1 des US-amerikanischen Herstellers Groove Tubes wurde in den späten achtziger Jahren als Studio-Preamp vorgestellt – enthält aber einen vollwertigen Röhrenverstärker (entfernt verwandt einem Fender Deluxe Reverb, aber ohne Tremolo- oder Hall­schaltung) mit einer Laut­sprecher­simulation, bestehend aus einem sogenannten Dummy Load und einen aktiven Filter (Speaker-Simulator.) 

Mit dem Dummy Load sollte es möglich sein, im Studio eine verstärkte Gitarre aufzunehmen, ohne eine (laute) Gitarrenbox mit Mikrofon abnehmen zu müssen.  Ein Dummy Load ist also eine Schaltung, die anstelle des Laut­sprechers an den Verstärker angeschlossen wird und sich – aus Sicht des Verstärkers – elektrisch wie ein Laut­sprecher verhält (aber keinen Lärm macht ;-).  Der Speaker-Simulator wiederum soll den Klang bzw. den Frequenzgang einer mit Mikrofon abgenommenen Gitarrenbox nachbilden. 

Das Gerät war seinerzeit defekt gekauft und repariert worden (ein verkohlter Widerstand des Dummy Loads wurde ersetzt).  Darüber hinaus wurde es auf Empfehlung eines Vintage- und Röhrenhändlers „verbessert“ – das Netzteil bekam eine Drosselspule anstelle eines verkohlten Siebwiderstands.  (Dieser Choke wurde später wieder entfernt, da der Amp beim Ausschalten kurz pfiff und jaulte.) So weit, so gut, wenn auch die eingebaute Laut­sprecher­ersatz­schaltung nicht wirklich gebraucht worden war, der Verstärker wurde nur als Lautmacher benutzt, nicht im Studio. 

Nach vielen Jahren der Gitarrenabstinenz sollte die Kiste als einfacher Verstärker wieder startklar gemacht werden. Sein Nimbus als Studiowunder war ohnehin Geschichte, also war das Ziel ein einfacher einkanaliger Fendernachbau ohne Ballast.  Lediglich das Laut­sprecher­klang-Filter sollte erhalten bleiben, entweder wieder im Gerät, oder auch extern / flexibel an anderen Verstärker. 

Da aber der vergossene (Dummy Load) und das Laut­sprecherklang-Filter (Speaker-Simulator) ursprünglich elektronisch zusammen- und auch zum selben Patent gehörten, schien es mangels Kenntnis der Schaltpläne nicht so einfach, die Geräteteile unabhängig voneinander zu betreiben.  Das ändere sich, als der Autor Ende der nuller Jahre das inzwischen abgelaufene Patent mit den Schaltplänen von Dummy Load und Speaker-Simulator im Netz entdeckte. 

Im Folgenden soll es darum gehen, wie beide funktionieren und wie die Trennung bewerkstelligt werden könnte.  Zunächst Historie: 

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Die Schaltung

Man hatte auch in den 80er Jahren, als der STPG-1 entwickelt und gebaut wurde, schon die Erfahrung gemacht, dass ein Dummy Load oder ein Power Soak mit rein ohmschen Lastwiderständen oder Widerstands­netzwerken (am bekanntesten seinerzeit wohl Tom Scholz' Power Soak) klanglich nicht die optimale Lösung darstellt; insbesondere die Höhen klingen blass, komprimiert und etwas leblos.  Für einen besseren Dummy Load ist es notwendig, den Anstieg des Laut­sprecher­widerstandes in den Bässen (die mechanische Resonanz des Laut­sprechers in der Box) und in den Höhen (bedingt durch die Induktivität der Schwingspule) nachzubilden.  Beides tut der Dummy Load des STPG-1. 

Zur Schaltung (Siehe die folgende Abbildung 1.1.).  Diese Schaltung ist Ende der 80er Jahre von Groove Tubes entwickelt und zum Patent angemeldet worden.  Im Gerät selbst ist der Dummy Load zum Teil vergossen – das Patent ist inzwischen aber über 20 Jahre alt und auch im Netz zu finden, zum Beispiel in der Patent-Liste von AMZ  (siehe dort Patent 43). 

Der obigen Abbildung 1.1 sind noch eine Spannungsquelle U₁ mit nachgeschaltetem Widerstand R_i-Amp (sie symbolisieren den Verstärker und dessen dynamischen Innenwiderstand) sowie der Eingangsspannungs­teiler des Speaker-Simulators (Widerstände R_4-1 und R_4-2) hinzugefügt.  Bis auf U₁ und R_i-Amp entsprechen die Bauteilbezeichungen denen der Patentschrift. 

Die mechanische Resonanz des Laut­sprechers wird einfach über einen Parallel­schwingkreis (C_3-1 und L_3-3) nachgebildet.  Das ist mathematisch recht übersichtlich, die Resonanzfrequenz berechnet sich wie folgt: 

\( \begin{eqnarray} f_{\textrm{res}} & = & \frac{1} { 2\pi\cdot \sqrt{L_{\textrm{3-1}}\cdot C_{\textrm{3-1}} } } \\~\\ & = & \frac{1} { 2\pi\cdot \sqrt{0{,}2\,\mathrm{mF} \cdot 0{,}9\mathrm{mH} } } \tag{1}\end{eqnarray} \)

Mit ausreichender Genauigkeit ergibt sich:

\( \begin{equation} f_{\textrm{res}} \approx 95\,\mathrm{Hz} \tag{2}\end{equation} \)

Die Resonanzfrequenz liegt also bei 95 Hz – ein für Gitarrenboxen durchaus üblicher Wert. 

Die Nachbildung des Impedanz­frequenzgangs in den Höhen ist schwieriger, weil sich die Impedanz eines realen Laut­sprechers nicht proportional zur Frequenz erhöht, sondern, wohl wegen der Wirbelstromverluste um die Schwingspule, eher proportional zur Wurzel der Frequenz. 

Hier muss also ein „sanfterer“ Anstieg der Impedanz nachgebildet werden.  Groove Tubes erreicht das, indem zwei LR-Serienglieder parallel­geschaltet werden.  Zum einen wird zum Hauptlastwiderstand von 10 Ω (R_3-2) eine Spule L_3-1 mit 0,9 mH in Serie geschaltet (3 dB-Frequenz etwa 1,8 kHz;).  Parallel dazu liegt ein weiterer, größerer Lastwiderstand R_3-1 mit 22 Ω mit einer weiteren Spule L_3-2, ebenfalls 0,9 mH, in Serie. 

Die 3 dB-Frequenz liegt hier bei 3,9 kHz: 

\( \begin{eqnarray} f_{-3\,\textrm{dB}} & = & \frac{1} {2\pi} \cdot \frac{R_{\textrm{3-2}}} {L_{\textrm{3-1}}} \\~\\ & = & \frac{1} {2\pi} \cdot \frac{22\,\textrm{Ω}} {0{,}9\,\textrm{mH}} \\~\\ f_{-3\,\textrm{dB}} & \approx & 3,\!9\,\textrm{kHz} \tag{3}\end{eqnarray} \)

Durch die Parallel­schaltung zweier LR-Glieder mit unterschiedlicher 3 dB-Frequenz steigt die Gesamtimpedanz zu höheren Frequenzen sanfter an – der Anstieg der Impedanz beginnt unter 1 kHz mit etwa 8 Ω und erreicht bei 8 kHz etwa 25 Ω, also eine gut 3-facher Betrag der Impedanz bei einer Erhöhung der Frequenz auf das auf das mehr als 8-fache.  Die Impedanz steigt hier also nicht proportional mit der Frequenzerhöhung, sondern kommt einem Anstieg proportional der Wurzel der Frequenz wesentlich näher:

Durch den Abgriff des Ausgangssignals über R_3-1 dient das LC-Glied L_3-2 und R_3-1 als Tiefpass, um scharfe Höhen des Verstärkers abzumildern – die Grenzfrequenz liegt, wie gesagt, bei etwa 3,9 kHz.  Die Verwendung von L_3-2 und R_3-1 als Tiefpass für das Signal des Speaker-Simulators bedingt allerdings, dass der Speaker-Simulator nur zusammen mit dem Dummy Load benutzt werden kann. 

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Ein autarker Speaker-Simulator

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• Tiefpass extern •
• Spannungs­teilertrick

Das heißt, wenn der Verstärker mit einem Laut­sprecher verbunden ist, kann er nur noch mit Mikrofon „abgenommen“ werden.  Das ist schade, denn auch auf der Bühne kann ein gut klingender Speaker-Simulator sinnvoller als die Abnahme des Laut­sprechers über Mikrofon sein. 

Insofern stellt sich natürlich die Frage, ob man diese Tiefpassfunktion nicht sinnvollerweise außerhalb des Dummy Loads realisieren sollte.  Zumindest fragt sich, warum es denn unbedingt ein LC-Tiefpass sein muss. 

Hier wäre anzumerken, dass der oben beschriebene weichere Anstieg der Laut­sprecher­impedanz durch die beiden unterschiedlichen RL-Glieder als in der Patentschrift so nicht erwähnt wird – Groove Tubes schreibt lediglich, das RL-Glied L_3-2 mit R_3-1 diene der Höhendämpfung.  Das erscheint wenig plausibel, einen Tiefpass allein könnte man ja billiger mit einem RC-Glied realisieren, als eine teure Spule und einen teuren Lastwiderstand zu verbauen.  (Plausibel ist lediglich, dass man in einer Patentschrift nicht jedes konstruktive Detail offenlegt. )

Wenn jetzt also der Speaker-Simulator auch im Laut­sprecherbetrieb das Verstärkers benutzt werden soll, das heißt, ohne dass der Dummy Load mit dem Verstärker verbunden ist, muss der genannte Tiefpass 3,9 kHz zwischen dem Laut­sprecher­ausgang des Verstärkers und dem Speaker-Simulator in den Signalweg eingefügt werden. 

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Tiefpass extern

Dafür bietet sich der Eingangs­spannungs­teiler des Speaker-Simulators (R_4-1 und R_4-2, sie wurden in den Schaltplan des Dummy Loads in Abbildung 1.1 mit eingezeichnet) an – dem unteren Widerstand R_4-2 des Spannungsteilers R_4-1 zu R_4-2 wird ein Kondensator C₉₉₉ parallel­geschaltet.  Die Grenzfrequenz dieses Tiefpasses berechnet sich wie folgt:

\( \begin{equation} \cfrac{u_{\textrm{Ausg.}}} {u_{\textrm{Eing.}}} = \cfrac{ R_{\textrm{4-2}} \,{\Big |}{\Big |}\, \cfrac{1} {ȷ\omega\cdot{} C_{999} } } { R_{\textrm{4-2}} \,{\Big |}{\Big |}\, \cfrac{1} { ȷ \omega \cdot C_{999} } + R_{\textrm{4-1}} } \tag{4}\end{equation} \)

Um die Berechnung und die Formel zu vereinfachen, wird der Tiefpass „analytisch zerlegt“, der Spannungsteiler R_4-1 zu R_4-2 hat einen Ausgangswiderstand von R_4-1 || R_4-2. Dessen Wert bestimmt zusammen mit dem Wert des Kondensators C₉₉₉ die Grenzfrequenz des Tiefpasses.  (C₉₉₉ „sieht“ die Parallel­schaltung als Spannungsquelle mit dem Ausgangswiderstand R_4-1 || R_4-2). 

\( \begin{equation} f_{-3\,\textrm{dB}} = \cfrac{1} { 2\pi\cdot C_{999}\cdot (R_{\textrm{4-1}}\,||\,R_{\textrm{4-2}}) } \tag{5}\end{equation} \)

Der Ausgangswiderstand wird dabei im Wesentlichen durch den kleineren Widerstand R_4-2 bestimmt: 

\( \begin{eqnarray} R_{\textrm{4-1}}\,||\,R_{\textrm{4-2}} & = & \frac{R_{\textrm{4-1}}\cdot R_{\textrm{4-2}} } {R_{\textrm{4-1}}+ R_{\textrm{4-2}} } \\~\\ & = & \frac{ 5{,}1\,\textrm{k}Ω \cdot 680\,Ω } { 5{,}1\,\textrm{k}Ω + 680\,Ω} \\~\\ & = & 600\,Ω \tag{6}\end{eqnarray} \)

Damit ist alles beisammen, um den Wert des Tiefpass­kondensators C₉₉₉ berechnen zu können: 

\( \begin{eqnarray} C_{999} & = & \frac{1} { 2\pi\cdot f_{-3\,\textrm{dB}}\cdot (R_{\textrm{4-1}}||R_{\textrm{4-2}}) } \\~\\ & = & \frac{1} { 2\pi\cdot 3{,}9\,\textrm{kHz}\cdot 0{,}6\,\textrm{kΩ} } \\~\\ C_{999} & = & 68\,\textrm{nF} \tag{7}\end{eqnarray} \)

Hier kann also ein Kondensator 68 nF verwendet werden.

Die folgende Zeichnung zeigt die Umsetzung der Veränderungen in der Schaltung.  Das Signal für den Eingangsspannungs­teiler des Speaker-Simulators wird nicht mehr aus dem „Inneren“ des Dummy Loads (zwischen L_4-2 und R_3-1) abgegriffen, sondern am Verstärkerausgang – sinnvollerweise vor der Laut­sprecher­buchse. 

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Spannungs­teilertrick

Soll jetzt der Speaker-Simulators auch außerhalb des STPG-1 und mit Line-Signalen verwendet werden, müsste das Signal ja wegen des beschriebenen Tiefpasses über R_4-1 eingespeist werden. Dabei könnte der starke Pegelverlust durch den Spannungsteiler R_4-1 und R_4-2 stören.  Hier kann man sich mit einem kleinen Trick behelfen.  Der untere Widerstand dieses Spannungsteilers R_4-2-b wird dabei ersetzt durch Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R_4-2a (1 kΩ gegen Masse) und R_4-2-b (2,2 kΩ entweder zum Line In oder gegen Masse). 

Soll dabei, wie besprochen, die Schaltung vom Laut­sprecher­ausgang aus genutzt werden, so liegt der Line-Eingang (die linke Seite von R_4-2a ) an Masse, R_4-2a und R_4-2-b sind parallel­geschaltet, haben zusammen den Wert von etwa 680 Ω und bilden damit einen Ersatz für R_4-2. 

Daneben ist es außerdem möglich, vom Line-Eingang ein Signal in den Speaker-Simulator einzuspeisen.  Das Line-Signal wird dabei über den Spannungsteiler R_4-2a und R_4-2-b um 10 dB gedämpft.  Die Tiefpassfunktion bleibt dabei die gleiche, denn der Kondensator C₉₉₉ „sieht“ auch hier einen Widerstandswert von 1 kΩ || 2,2 kΩ ≈ 680 Ω. 

Letztendlich könnte also der Speaker-Simulator  – in einem anderen Gehäuse – auch unabhängig vom STPG-1 auch an anderen Verstärkern verwendet werden. 

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Sicherheitshinweis

Eine abschließende Bemerkung:  Die Bauelementen des Dummy Loads sind in einer quaderförmigen Blechhaube vergossen worden, auf dem Chassis des Verstärkers befinden sich drei solcher Hauben – unter den anderen beiden liegen der Netz- und der Ausgangstrafo.  (Nun, die patentierte Schaltung des Dummy Loads war so vor Spionage geschützt worden und das Gerät sieht wie ein wertiger Röhren-Hi-Fi-Verstärker aus.)  Die Lastwiderstände R_3-1 und R_3-2 wurden allerdings, vermutlich aus thermischen Gründen, innen an der Rückwand des Verstärkers befestigt, wobei R_3-2, ein gekapselter Hochlastwiderstand 50 W mit Schraublaschen, unter Zugabe von Wärmeleitpaste an die Rückwand geschraubt wurde, während der verkohlte R_3-1 nur von einer Art Klemmschelle aus dünnem Blech gehalten wurde. 

Dabei scheint dieser R_3-1 etwas schwach dimensioniert worden zu sein – ein Drahtwiderstand in einem Plastegehäuse.  Zumindest in dem hier beschriebenen Exemplar des Verstärkers war dieser Widerstand stark verkohlt.  Er sollte im Sinne der Betriebssicherheit des Verstärkers durch einen höher belastbaren Widerstand ersetzt werden.  Im konkreten Fall waren das zwei Hochlastwiderstände 10 Ω / 25 Watt in Serie – ein Hochlastwiderstand 22 Ω / 25 Watt war bei Conrad seinerzeit nicht zu bekommen.  Die beiden Widerstände wurden miteinander verschraubt, die Klemmschelle fasst an den Kühlrippen der Widestände ausreichend fest. 

Nachtrag: Da der gesamte Groove Tubes Speaker-Simulator in seine Bestandteile Dummy Load und Laut­sprecher­simulations­filter aufgeteilt wurde, konnte der Dummy Load in zwei der drei Quader-„Aufbauten“ des Groove Tubes verschwinden und die beiden Widerstände R_3-1 und R_3-2 sachgerecht an Gehäusewände montiert werden.  Siehe dazu Abbildung 4.3 und Abbildung 4.4 im Artikel über den reaktiven Dummy Load.